專利名稱：薄膜硅光伏器件及其制造方法和背電極以及光伏組件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及太陽(yáng)能光伏器件的領(lǐng)域，并且具體涉及一種薄膜硅光伏器件 及其制造方法、用于該薄膜硅光伏器件的背電極、以及由多個(gè)薄膜硅光伏器 件組成的光伏組件。
背景技術(shù)：
太陽(yáng)能是可再生能源以及不產(chǎn)生任何環(huán)境污染的清潔能源。太陽(yáng)能光電 (光伏)電池是近年來(lái)的熱門研究領(lǐng)域之一，并且已經(jīng)形成了備受矚目的新興產(chǎn) 業(yè)。太陽(yáng)能電池主要是以半導(dǎo)體材料為基礎(chǔ)制造的，其工作原理是利用光電 材料吸收光能后產(chǎn)生光電子的光電轉(zhuǎn)換反應(yīng)?？梢詫⒉煌牟牧嫌糜谔?yáng)能
電池，所述材料包括晶體硅、諸如砷化鎵的m-v族化合物、諸如硫化鎘和銅 銦硒的晶體薄膜化合物、高分子材料、染料敏化的納米晶體材料等等。 一般
地，對(duì)于用來(lái)制造太陽(yáng)能電池的材料的要求是1、該材料的能帶隙(禁帶)不 能太寬；2、該材料應(yīng)當(dāng)有較高的光電轉(zhuǎn)換效率；3、該材料本身及其生產(chǎn)對(duì) 環(huán)境不造成污染；4、該材料便于工業(yè)化生產(chǎn)且材料性能穩(wěn)定?；谝陨弦?， 晶體硅成為理想的太陽(yáng)能電池材料，因而目前市場(chǎng)上的太陽(yáng)能電池主要使用 晶體硅材料。但是，高純度和低缺陷的晶體硅的生產(chǎn)非常困難，并且由于單 晶硅及多晶硅原材料供不應(yīng)求并且電池生產(chǎn)工藝相當(dāng)繁瑣，因此晶體硅光伏 組件的生產(chǎn)成本很高。此外，在晶體硅及其光伏器件的高溫制造過(guò)程中要消 耗大量能源，這也不利于環(huán)境保護(hù)。
隨著近三十年來(lái)新材料和相關(guān)光伏技術(shù)的發(fā)展，以其它材料為基礎(chǔ)的太 陽(yáng)能電池正顯示出誘人的前景。為了節(jié)省高質(zhì)量硅材料，對(duì)薄膜太陽(yáng)能電池 進(jìn)行了大量研究開(kāi)發(fā)，并且提出了以氫化非晶硅(a-Si)和氫化納米硅為基礎(chǔ)的 薄膜硅太陽(yáng)能電池。薄膜硅材料通常利用某種化學(xué)氣相沉積法(CVD)形成， 例如輝光放電，即等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法(PECVD)。薄膜硅光伏模板 (組件)的最大市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)是其不可比擬的低成本和大規(guī)模生產(chǎn)過(guò)程，這是因?yàn)樵?大面積廉價(jià)基板(襯底)上沉積的光電轉(zhuǎn)換器件的單位成本隨生產(chǎn)量的提高而降低。施加于鍍?cè)谕?一玻璃基板上的不同薄膜的激光劃線成型工藝使多個(gè)太 陽(yáng)能電池單元在薄膜沉積過(guò)程中直接形成內(nèi)聯(lián)集成式的大面積光伏模板，從 而減少了加工步驟并且改善了產(chǎn)品的可靠性。在制造過(guò)程中的較低溫度允許 將包括價(jià)格低廉的柔性塑料的多種材料用作基板。另外，這種光伏模板的原 材料充足易得，且不具有對(duì)人體或環(huán)境有害的物質(zhì)。薄膜硅光伏器件的特點(diǎn) 是電壓高，充電性能好，弱光性能好，在高溫下能保持較高的輸出功率，并 且易于做成具有所需透光度的部分透明或透視型的大面積光伏模板，從而相 對(duì)于晶體硅電池具有更高的性價(jià)比。
背電極對(duì)于薄膜硅太陽(yáng)能電池，尤其是大面積光伏模板的高光電轉(zhuǎn)換率 和可靠性至關(guān)重要。薄膜光伏器件的高效捕光能力對(duì)于有效地捕獲弱吸收光 并且把未被吸收的長(zhǎng)波長(zhǎng)光反射回光伏器件是必不可缺的。被反射的光再次 進(jìn)入硅吸收層以增加其被吸收的機(jī)率，從而增加光伏器件的光電流。在過(guò)去 的實(shí)驗(yàn)中，銀(Ag)最先被獨(dú)立地用作基于非晶硅的太陽(yáng)能電池或者模板的反 光背電極。然而，用于非晶硅或納米硅電池中的銀膜的反射率比預(yù)期的低， 部分原因是銀和硅的混合導(dǎo)致了質(zhì)量較差的銀/硅界面，使得光折射系數(shù)在該 界面沒(méi)有急劇地改變。銀膜直接與硅膜接觸，使得銀表面的量子化等離子體 振動(dòng)所致的光吸收損耗明顯提高。更重要的是，由于與銀相關(guān)的分流短路和
太陽(yáng)能電池的不穩(wěn)定性，不能將純4艮接觸層應(yīng)用于薄膜硅光伏器件的制造。 此外，還嘗試了將由諸如鋁(A1)、銅(Cu)和鉻(Cr)的其它單一金屬制成的背接 觸層應(yīng)用于a-Si薄膜太陽(yáng)能電池，但是這種背接觸層的光反射率遠(yuǎn)低于銀 (Ag),從而導(dǎo)致太陽(yáng)能電池的低功率。
考慮到上述問(wèn)題，目前在實(shí)驗(yàn)室中獲得的效率最高的薄膜硅太陽(yáng)能電池 都使用透明導(dǎo)電氧化物(TCO)氧化鋅和銀雙層薄膜(ZnO/Ag)作為光反射性好 且導(dǎo)電率高的背電極。
然而，ZnO/Ag的組合存在嚴(yán)重的問(wèn)題。第一，當(dāng)薄膜硅電池的硅層較薄 時(shí)，低電阻所要求的足夠厚的銀膜會(huì)導(dǎo)致在電池的許多區(qū)域中出現(xiàn)明顯的分 流短路(shunt)，使得能量轉(zhuǎn)化率降低并且光伏模塊的成品率低。隨著時(shí)間的 推移，分流短路的現(xiàn)泉往往變得更嚴(yán)重，并且這一問(wèn)題在大面積模板的生產(chǎn) 中尤其嚴(yán)重。第二，將較厚的銀膜用作背電極使得光伏模板的穩(wěn)定性明顯下 降，這是因?yàn)槭倾y原子在電場(chǎng)影響下被溫度激活而遷移，使得銀沿著結(jié)構(gòu)缺 陷擴(kuò)散到硅膜中。第三，銀膜在接觸含水分的空氣時(shí)的不穩(wěn)定性使得其光反射率在數(shù)月或更久之后明顯降低，這導(dǎo)致光伏模板發(fā)電能力及壽命的損失。 第四，由于銀是貴金屬，因此使用較厚的銀膜導(dǎo)致生產(chǎn)成本較高。
由于人們發(fā)現(xiàn)即使對(duì)于小面積的光伏電池來(lái)說(shuō)，ZnO/Ag也比ZnO/Al(鋁) 或ZnO/Cu(銅)更明顯地受分流缺陷的影響，因此目前的薄膜硅光伏電池普遍 采用ZnO/Al背電極。與ZnO/Ag不同，由ZnO/Al制成的背電極不僅不易導(dǎo) 致分流，而且即使產(chǎn)生分流問(wèn)題也容易通過(guò)例如所謂的"分流排除"程序來(lái) 解決該問(wèn)題。但是，ZnO/Al背電極雖然非常可靠，但是和ZnO/Ag相比，它 的反光性能差得多，即，其光電轉(zhuǎn)換效率不令人滿意。
此外，無(wú)論是ZnO/Ag還是ZnO/Al背接觸層， 一個(gè)重要的挑戰(zhàn)是使用低 成本、可靠的生產(chǎn)設(shè)備和工藝高速地獲得大面積、均勻、可重復(fù)沉積的高質(zhì) 量ZnO薄膜。沉積的ZnO通常摻雜有原子濃度為1。/。-3。/。的鋁(ZnO:Al)，并且 其厚度最好接近80-120納米。對(duì)于包含ZnO/Ag (或ZnO/Al)背接觸層的高性 能薄膜硅光伏器件，ZnO:Al的光透射率和導(dǎo)電性必須同時(shí)優(yōu)良。目前，在薄 膜硅光伏器件的生產(chǎn)中有兩種已被實(shí)踐證明的ZnO:Al的沉積方法。 一種低成 本高產(chǎn)量的方法是低氣壓C VD(LPC VD)或稱為有機(jī)金屬化學(xué)氣相沉積 (MOCVD),然而這種方法在大的面積上^:難控制ZnO:Al沉積的均勻性和可 重復(fù)性。另一種更普遍的ZnO:Al沉積方法是連續(xù)式(在線)磁控濺射法。這種 方法通過(guò)使用陶瓷靶而可以得到均勻且可重復(fù)的大面積ZnO:Al薄膜，但是其 缺點(diǎn)是設(shè)備成本高、靶材制造復(fù)雜、沉積率低(即，產(chǎn)量低)，并且基板應(yīng)被 加熱至較高溫度(例如100°C-200°C之間)，使得可以高速運(yùn)轉(zhuǎn)的磁控濺射設(shè)備 和其操作非常復(fù)雜。
一個(gè)更為嚴(yán)重的問(wèn)題是在p-i-n型a-Si光伏電池中n層硅薄膜與ZnO之 間的電接觸阻抗。由于ZnO:Al薄膜只有中等導(dǎo)電率，而且最初沉積的ZnO 薄膜(與硅薄膜的接觸層)通常具有更高的阻抗，因此造成了光伏器件的能量損
失。此外，對(duì)于光伏模板的生產(chǎn)，ZnO薄膜(背電極)與相鄰電池的前電極相 接觸以實(shí)現(xiàn)所有光伏電池之間的統(tǒng)一內(nèi)聯(lián)結(jié)合，在這種情況下，ZnO薄膜與 前電極之間的接觸電阻會(huì)大幅降低光伏模板的輸出功率和穩(wěn)定性。相比之下， 使用金屬背電極直接連接到前電極的效果更好。
為了減少銀層(膜)導(dǎo)致的分流短路，人們嘗試在使用包含ZnO/Ag的背接 觸層時(shí)采取非常薄的銀層。例如，提出了由ZnO/Ag/Al組成的三層結(jié)構(gòu)，其 中銀膜的厚度低于40納米以提供高光反射率，并且使用一個(gè)比銀膜厚得多的
6鋁層(如120納米)來(lái)進(jìn)行電傳導(dǎo)并且與作為外接電引線的鋁箔連接。然而，特 別是在適中溫度(例如130。C-200。C)的熱處理時(shí)，銀膜和鋁膜很容易由于擴(kuò)散 而互相混合。因此，4艮膜的光反射率往往被降低。此外，如上所述，ZnO的 沉積是一個(gè)非常難的低產(chǎn)量過(guò)程。要沉積ZnO、 Ag和Al三種薄膜，必須使 用昂貴、大型且復(fù)雜的薄膜鍍膜設(shè)備，例如在線連續(xù)式磁控濺射設(shè)備。
因此，需要一種具有高光反射率和導(dǎo)電性并且穩(wěn)定可靠從而不影響大面 積薄膜硅電池的成品率的背電極以及使用該背電極的光伏器件，該背電極和
光伏器件的工業(yè)化生產(chǎn)簡(jiǎn)單、高速、易于控制且成本較低。

發(fā)明內(nèi)容
考慮到上述問(wèn)題而做出了本發(fā)明。本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種適用于 薄膜硅光伏器件的新型反光背電極以及使用該背電極的薄膜硅光伏器件，其 具有良好的光電轉(zhuǎn)換效率及長(zhǎng)期穩(wěn)定性。
本發(fā)明的另一目的是提供一種制造薄膜硅光伏器件的方法，其能夠簡(jiǎn)化 具有高光電轉(zhuǎn)換效率的、基于氬化硅薄膜的光伏器件的生產(chǎn)過(guò)程，并且降低 該光伏器件的生產(chǎn)成本以達(dá)到更高的性價(jià)比。
本發(fā)明的另 一 目的是提供一種使用由所述薄膜硅光伏器件組成的光伏組件。
為了達(dá)到上述目的，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種薄膜硅光伏器 件，其具有層狀結(jié)構(gòu)，該層狀結(jié)構(gòu)依次包括基板；透明導(dǎo)電的前電極；一 個(gè)或多個(gè)p-i-n型光伏單元，每個(gè)p-i-n型光伏單元由基于氫化硅的p型、本 征i型和n型半導(dǎo)體薄膜組成；背電極，該背電極包含依次重疊的銀膜、鎳 膜和鋁膜，所述銀膜位于所述背電極的、與所述p-i-n型光伏單元相鄰的一側(cè)， 并且所述鎳膜由鎳或鎳含量高于60%的鎳合金制成。
所述^l艮膜可以和所述一個(gè)或多個(gè)p-i-n型光伏單元中與所述背電極相鄰的 一個(gè)p-i-n型光伏單元的n型半導(dǎo)體薄膜直接接觸。
所述銀膜可以具有介于10-30納米之間、優(yōu)選為介于20-25納米之間的厚 度，所述鎳膜可以具有介于10-80納米之間、優(yōu)選為介于20-30納米之間的厚 度，所述鋁膜可以具有介于60-250納米之間、優(yōu)選為介于100-150納米之間 的厚度。
所述背電極還可以包含位于鎳膜與鋁膜之間的一個(gè)或多個(gè)厚度不超過(guò)100納米的其它金屬薄膜，所述其它金屬包括金、柏、銅、釩、鉻、鈦或者 它們中的一種或多種的合金。
可以在同 一 臺(tái)連續(xù)式磁控濺射設(shè)備中，通過(guò)使用相應(yīng)的耙子依序沉積所 述銀膜、鎳膜和鋁膜，從而沉積所述背電極。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種光伏組件，其包括多個(gè)被串聯(lián)或并 聯(lián)連接的上述薄膜硅光伏器件。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種制造薄膜硅光伏器件的方法，包括
以下步驟將透明導(dǎo)電的前電極鍍?cè)诨迳?；在前電極上沉積一個(gè)或多個(gè)p-i-n 型光伏單元，每個(gè)p-i-n型光伏單元由基于氫化硅的p型、本征i型和n型半導(dǎo)體 薄膜組成；在最后沉積的一個(gè)p-i-n型光伏單元的n型半導(dǎo)體薄膜上沉積背電 極，其中，所述背電極包含依次重疊的銀膜、鎳膜和鋁膜，所述銀膜位于所 述背電極的、與所述最后沉積的一個(gè)p-i-n型光伏單元相鄰的一側(cè)，并且所述 鎳膜由鎳或鎳含量高于60%的鎳合金制成。
所述銀膜可以被直接沉積在所述最后沉積的 一個(gè)p-i-n型光伏單元的n型 半導(dǎo)體薄膜上。
所述4艮膜可以具有介于10-30納米之間、優(yōu)選為介于20-25納米之間的厚 度，所述鎳膜可以具有介于10-80納米之間、優(yōu)選為介于20-30納米之間的厚 度，所述鋁膜可以具有介于60-250納米之間、優(yōu)選為介于100-150納米之間 的厚度。
可以在同一臺(tái)連續(xù)式磁控'減射設(shè)備中，通過(guò)使用相應(yīng)的耙子依序沉積所 述銀膜、鎳膜和鋁膜，從而沉積所述背電極。
所述背電極還可以包含位于鎳膜與鋁膜之間的一個(gè)或多個(gè)厚度不超過(guò) 100納米的其它金屬薄膜，所述其它金屬包括金、鈿、銅、釩、鉻、鈦或者它 們中的一種或多種的合金。
根據(jù)本發(fā)明的再一方面，提供了一種用于薄膜硅光伏器件的背電極，該 背電極具有層狀結(jié)構(gòu)，該層狀結(jié)構(gòu)包括依次重疊的銀膜、鎳膜和鋁膜，并且 所述鎳膜由鎳或鎳含量高于60%的鎳合金制成。
所述銀膜可以具有介于10-30納米之間、優(yōu)選為介于20-25納米之間的 厚度，所述鎳膜可以具有介于10-80納米之間、優(yōu)選為介于20-30納米之間的 厚度，所述鋁膜可以具有介于60-250納米之間、優(yōu)選為介于100-150納米之 間的厚度?？梢栽谕?一 臺(tái)連續(xù)式磁控'踐射設(shè)備中，通過(guò)使用相應(yīng)的耙子依序沉積所 述銀膜、鎳膜和鋁膜，從而沉積所述背電極。
所述背電極還可以包含位于鎳膜與鋁膜之間的一個(gè)或多個(gè)厚度不超過(guò) 100納米的其它金屬薄膜，所述其它金屬包括金、鉑、銅、釩、鉻、鈦或者 它們中的一種或多種的合金。
與傳統(tǒng)的薄膜硅光伏器件的背電極相比，本發(fā)明的背電極不包含諸如
ZnO的任何TCO薄膜，避免了復(fù)雜的TCO沉積工藝，從而使得背電極的生 產(chǎn)更簡(jiǎn)單并且成品率更高。此外，作為由透明導(dǎo)電氧化物TCO與銀或鋁構(gòu)成 的光伏器件中常規(guī)的復(fù)合式雙層背電極(例如ZnO/Ag或ZnO/Al)的替代，本 發(fā)明的背電極使用由依次重疊的銀膜、鎳膜和鋁膜形成的層狀結(jié)構(gòu)，從而在
流和不穩(wěn)定性。


通過(guò)結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)描述，本發(fā)明的上述和其它目 的、特征、優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得更加清楚，在附圖中
圖1是示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的薄膜硅光伏器件的結(jié)構(gòu)的圖； 圖2是示出根據(jù)本發(fā)明的制造薄膜硅光伏器件的方法的流程圖。 附圖不是按比例繪制的，為了清楚起見(jiàn)，夸大了某些特征的尺寸。
具體實(shí)施例方式
下面將參照附圖來(lái)詳細(xì)描述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，在附圖中，相同的參 考標(biāo)號(hào)自始至終表示相同的元件。應(yīng)當(dāng)理解這里描述的實(shí)施例僅僅是說(shuō)明 性的，而不應(yīng)被解釋為限制本發(fā)明的范圍。
根據(jù)本發(fā)明的背電極的提出基于以下重要事實(shí)。銀和鎳是相匹配的金屬 材料，在銀薄膜與鎳薄膜之間不會(huì)由于銀原子和鎳原子的擴(kuò)散而顯著影響背 電極的光學(xué)和/或?qū)щ娞匦?。相比之下，在傳統(tǒng)的背電極中，銀和鋁(Ag/Al) 薄膜之間會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的互相擴(kuò)散，從而導(dǎo)致背電極的光電性能變差。此外，
鎳具有良好的導(dǎo)電性和化學(xué)穩(wěn)定性、以及在空氣中的持久性和對(duì)氧化的不活 潑性，因此，可以例如通過(guò)沉積來(lái)在薄的銀膜和厚的鋁膜之間添加薄的鎳膜， 以便在銀和鋁之間提供保護(hù)隔離層或緩沖層。所添加的鎳膜可以很好地保護(hù)薄的銀膜，使得銀的光反射率不會(huì)由于外部濕氣的侵蝕而下降。而且，鎳膜
與銀膜及鋁膜兼容。在適度的高溫(例如，室溫-200。C)下，在鎳膜和銀膜之間 以及在鎳膜和鋁膜之間不會(huì)由于擴(kuò)散而出現(xiàn)混合中間層，因而銀膜的光反射 率不會(huì)因?yàn)榕c鎳或鋁的混合而下降。
下面，參照?qǐng)D1來(lái)描述根據(jù)本發(fā)明的薄膜硅光伏器件。圖l是示意性地 示出根據(jù)本發(fā)明的薄膜硅光伏器件的結(jié)構(gòu)的圖。
如圖l所示，根據(jù)本發(fā)明的薄膜硅光伏器件IOO具有層狀結(jié)構(gòu)。在這里， 為了便于說(shuō)明，假設(shè)光從上方入射。沿著光的入射方向(即，從上到下)，薄膜 硅光伏器件IOO依次包含基板或蓋板101，其通常為玻璃平板；透明導(dǎo)電 的前電才及102，其通常為透明導(dǎo)電氧化物(TCO),例如Sn02或ZnO; p-i-n型 光伏單元103，其由基于氫化硅的p型、本征i型和n型半導(dǎo)體薄膜組成；以 及反光背電極，該反光背電極包含從上到下依次重疊的三層金屬薄膜，即， 銀膜104、 4臬膜105和鋁膜106。優(yōu)選地，4艮膜104、鎳膜105和鋁膜106依 次緊密接觸，并且4艮膜104與光伏單元103的n型半導(dǎo)體薄膜(n層)直接接觸。 銀膜104、鎳膜105和鋁膜106的厚度可以根據(jù)設(shè)計(jì)需要來(lái)確定。優(yōu)選地， 銀膜104的厚度介于10-30納米之間，鎳膜105的厚度介于10-80納米之間， 鋁膜106的厚度介于60-250納米之間。更優(yōu)選地，^L膜104的厚度介于20-25 納米之間，鎳膜105的厚度介于20-30納米之間，鋁膜106的厚度介于100-150 納米之間。
應(yīng)當(dāng)注意，盡管在圖1中^U又示出了一個(gè)p-i-n型光伏單元，但這并不是 限制性的，而是也可以存在多個(gè)p-i-n型光伏單元。換言之，本發(fā)明的Ag/Ni/Al 背電極不僅可被應(yīng)用于具有一個(gè)p-i-n型光伏單元的單結(jié)太陽(yáng)能電池，還可以 被應(yīng)用于具有多個(gè)依次重疊的p-i-n型光伏單元的多結(jié)太陽(yáng)能電池(或稱為疊 層太陽(yáng)能電池)。在后一情況下，背電極的4艮膜104與所述多個(gè)p-i-n型光伏 單元中與背電極相鄰的一個(gè)p-i-n型光伏單元的n型半導(dǎo)體薄膜直接接觸。
此外，上文描述了根據(jù)本發(fā)明的具有Ag/Ni/Al三層結(jié)構(gòu)的背電極和使用 該背電極的光伏器件，然而，本發(fā)明不限于此。實(shí)際上，可以在不背離本發(fā) 明的精神和范圍的情況下對(duì)上述背電極和光伏器件進(jìn)行改變。例如，在所述 背電極的鎳膜和鋁膜之間還可以額外地添力口(例如，沉積)一個(gè)或多個(gè)厚度不超 過(guò)100納米的其它金屬薄膜，從而形成Ag/Ni/X/Al多層背電極，其中X表示 金Au、鈀Pd、柏Pt、銅Cu、釩V、鉻Cr、鈥Ti或者它們中的一種或多種的合金。當(dāng)然，根據(jù)需要，X也可以是其它金屬或合金。
另外，在上文中，為了便于描述而假設(shè)光從上方入射，并且使用了術(shù)語(yǔ) "從上到下"來(lái)描述各層的位置，然而這僅僅是說(shuō)明性的。實(shí)際上，也可以 采用其它入射方向，只要組成所述層狀結(jié)構(gòu)的各層之間的相對(duì)位置保持不變 即可。
此外，盡管在上文中提到了背電極的銀膜104和與背電極相鄰的p-i-n型 光伏單元的n型半導(dǎo)體薄膜直接接觸，但這不是限制性的。實(shí)際上，也可以 根據(jù)需要在銀膜104和所述n型半導(dǎo)體薄膜之間添加不影響或不嚴(yán)重影響光 反射率的中間層或者其它層。
應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，上文所述的由鎳制成的鎳膜105僅僅是示例，本發(fā)明并不 限于此。實(shí)際上，也可以將鎳膜105替換為通過(guò)在鎳中適當(dāng)?shù)負(fù)诫s一種或多 種其它金屬(例如鉻Cr、釩V等)而形成的鎳合金的膜，只要鎳的含量高于60% 并且所摻雜的材料及其數(shù)量不會(huì)對(duì)鎳的上述性能產(chǎn)生顯著的負(fù)面影響即可。
如上所述，本發(fā)明使用具有Ag/Ni/Al全金屬結(jié)構(gòu)的背電極來(lái)取代傳統(tǒng)的 ZnO/Ag或ZnO/Al背電極。在Ag/Ni/Al這個(gè)組合里，光反射功能由銀Ag提 供，而電導(dǎo)率主要依賴鋁A1。此時(shí)， 一個(gè)很薄的銀層足以提供對(duì)于紅光和紅 外光的強(qiáng)烈反射，但是其厚度不足以導(dǎo)致分流短路和不穩(wěn)定性。已經(jīng)證實(shí)， 這種只含有很薄銀層的背電極(電接觸層)的反光效果很接近于厚得多的銀膜
(例如，接近或大于150nm)的反光效果。通過(guò)減小銀的厚度，用鋁取代大部分 銀，可以在很大程度上消除銀導(dǎo)致的分流(短路)缺陷并且降低生產(chǎn)成本，但不 降低背電極的光電性能。與厚得多的銀層(例如在傳統(tǒng)的ZnO/Ag背電極中使 用的厚度在150和250納米之間的銀薄膜)相比，本發(fā)明的Ag/Ni/Al背電極穩(wěn) 定得多，并且分流效應(yīng)也顯著降低。此外，在傳統(tǒng)的背電極中，利用激光劃 線工藝很難徹底地分割厚的銀膜(大于100納米)，使得光伏模板的輸出功率 降低(填充因子降低)，相比之下，在本發(fā)明中，更易于利用激光劃線工藝來(lái)干 凈徹底地分割鋁薄膜。另外，使用較厚的鋁層(為銀層的5-10倍厚度)也提供 了背接觸層的良好的電傳導(dǎo)和耐久性，并且可以將該鋁層(鋁薄片)直接焊接到 太陽(yáng)能電池(膜片)上，從而便于制造帶有外部電引線的光伏模板。最后，本發(fā) 明的Ag/Ni/Al三層重疊結(jié)構(gòu)使得將銀的卓越反射率和鋁的良好穩(wěn)定性及導(dǎo)電 性結(jié)合在一起，而不存在傳統(tǒng)的Ag/Al雙層結(jié)構(gòu)的擴(kuò)散問(wèn)題。
下面，將結(jié)合圖1和圖2來(lái)描述薄膜硅光伏器件和其中使用的背電極的制造方法。圖2是示出根據(jù)本發(fā)明的制造薄膜硅光伏器件的方法的流程圖。 在下面的描述中，為了不以不必要的細(xì)節(jié)使本發(fā)明變得模糊，省略了對(duì)公知 方法、過(guò)程和技術(shù)的描述。
參照?qǐng)D2，在步驟S201中，將透明導(dǎo)電的前電極102鍍?cè)诓ＡЩ?01 的一面上。如上所述，前電極102的材料通常為透明導(dǎo)電氧化物(TCO)，例如 Sn02或ZnO。然后，在步驟S202中，利用激光劃線工藝來(lái)將所鍍的前電極 102分割為例如多個(gè)獨(dú)立的長(zhǎng)條。
接下來(lái)，在S203中，使用PECVD法在前電極102上沉積p-i-n型光伏 單元103，每個(gè)p-i-n光伏單元由基于氫化硅的p型、本征i型和n型半導(dǎo)體 薄膜組成。如上所述，可以沉積一個(gè)p-i-n型光伏單元或者多個(gè)依次重疊的 p-i-n型光伏單元。然后，在步驟S204中，利用激光劃線工藝將光伏單元104 分割成多個(gè)與所分割的前電極的長(zhǎng)條寬度相同的長(zhǎng)條。
由于在玻璃基板101上鍍前電極102、在前電極102上沉積一個(gè)或多個(gè) p-i-n型光伏單元103、以及利用激光劃線工藝來(lái)分割前電極或光伏單元的方 法是本領(lǐng)域公知的，因此，為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，在這里省略對(duì)這些方法和過(guò)程的詳 細(xì)描述。
接下來(lái)，在步驟S205中，將帶有前電極102和光伏單元103的玻璃基板 101裝進(jìn)一臺(tái)在線(inline)磁控濺射設(shè)備中以便在光伏單元103上沉積根據(jù)本 發(fā)明的背電極。所述磁控濺射設(shè)備包含至少一個(gè)濺射室。為了沉積所述背電 極，在磁控濺射設(shè)備的單個(gè)濺射室中(或者在多個(gè)濺射室中)，依序安裝至少一 個(gè)銀耙、至少一個(gè)鎳耙、和至少一個(gè)鋁耙，所有耙材的純度不低于99.9%; 不同材料的靶子之間的距離不小于30厘米，并且，優(yōu)選地在不同材料的靶子 之間設(shè)置隔離板以減小不同沉積物之間的混合。此外，在金屬薄膜賊射過(guò)程 中使用純度不低于99.999%的氬氣，其氣壓介于0.1-2帕(Pa)之間。利用傳送 系統(tǒng)使玻璃基板在可被同時(shí)激活的各個(gè)靶子下面依次通過(guò)，并且使鍍有薄膜 硅的一面朝向?yàn)R射靶，從而在光伏單元103上一次性地依次沉積銀膜、鎳膜 和鋁膜三層薄膜。沉積所述薄膜的方法是本領(lǐng)域公知的，因此在這里省略對(duì) 該沉積方法和過(guò)程的詳細(xì)描述。在沉積過(guò)程中，可以根據(jù)設(shè)計(jì)需要來(lái)確定銀 膜、鎳膜和鋁膜的厚度。優(yōu)選地，在沉積過(guò)程中，將首先沉積在薄膜硅(光伏 單元103)上的銀膜104的厚度控制為介于10-30納米之間，將隨后沉積在銀 膜104上的4臬膜105的厚度控制為介于10-80納米之間，并且將最后沉積在鎳膜105上的鋁膜106的厚度控制為60-250納米之間。更優(yōu)選地，將首先沉 積在薄膜硅(光伏單元103)上的銀膜104的厚度控制為介于20-25納米之間， 將隨后沉積在銀膜104上的鎳膜105的厚度控制為介于20-30納米之間，并 且將最后沉積在鎳膜105上的鋁膜106的厚度控制為介于100-150納米之間。 控制薄膜厚度的方法是本領(lǐng)域公知的，因此為簡(jiǎn)單起見(jiàn)省略對(duì)該方法的描述。 應(yīng)當(dāng)注意，上述用于沉積背電極的各個(gè)參數(shù)(包括各個(gè)靶的數(shù)目、靶材純度、 各個(gè)靶之間的距離、以及所使用的氬氣的純度和氣壓等)僅僅是優(yōu)選的和示例 性的，實(shí)際上，也可以根據(jù)實(shí)際情況和/或設(shè)計(jì)需要而靈活地調(diào)整所述參數(shù)。
最后，在步驟S206中，利用激光劃線工藝分割所述Ag/Ni/Al背電極， 以完成多個(gè)電池的分割以及前后電極的統(tǒng)一內(nèi)聯(lián)結(jié)合(monolithic integration), 從而形成多個(gè)并聯(lián)或串聯(lián)連接的薄膜硅光伏器件。這些并聯(lián)或串聯(lián)連接的薄 膜硅光伏器件通過(guò)包括封裝在內(nèi)的進(jìn)一步加工而形成完整的光伏組件(模板)。
如上所述，可以在不背離本發(fā)明的精神和范圍的情況下對(duì)上文所述的薄 膜硅光伏器件的制造方法進(jìn)行改變。例如，在制造背電極時(shí)，可以通過(guò)例如 在鎳靶和鋁靶之間額外地安裝一個(gè)或多個(gè)其它金屬的靶子，而在鎳膜和鋁膜 之間額外地沉積一個(gè)或多個(gè)厚度不超過(guò)100納米的其它金屬薄膜，從而形成 Ag/Ni/X/Al多層背電極，其中X表示金Au、把Pd、柏Pt、銅Cu、釩V、鉻 Cr、鈦Ti或者它們中的一種或多種的合金。如上所述，X也可以是其它金屬
此外，本發(fā)明不限于將背電極的銀膜104直接沉積在與背電極相鄰的 p-i-n型光伏單元的n型半導(dǎo)體薄膜上，而是也可根據(jù)需要在銀膜104和所述 n型半導(dǎo)體薄膜之間額外地添力口(例如，沉積)不影響或不嚴(yán)重影響光反射率的 中間層或者其它層。另外，盡管在上面使用在線磁控濺射設(shè)備來(lái)制造根據(jù)本 發(fā)明的背電極，但本發(fā)明不限于此，而是也可以采用諸如化學(xué)氣相沉積 (CVD)、蒸鍍等的其它方法或者上述方法的組合來(lái)制造該背電極。例如，可 以在諸如CVD設(shè)備的單臺(tái)薄膜沉積設(shè)備中，通過(guò)使用相應(yīng)的原材料來(lái)依序沉 積所述銀膜、鎳膜和鋁膜?？商鎿Q地，可以使用磁控濺射設(shè)備來(lái)制作銀膜和 鋁膜，并且使用蒸鍍法來(lái)制作鎳膜。具體用于制作各個(gè)膜的方法可以根據(jù)實(shí) 際情況和/或設(shè)計(jì)要求來(lái)確定。
另外，上文所述的由鎳制成的鎳膜僅僅是示例，實(shí)際上，也可以在鎳中 適當(dāng)?shù)負(fù)诫s一種或多種其它金屬(例如鉻Cr、釩V等)以形成鎳合金并且按照
13上述方式最終形成鎳合金膜，只要鎳的含量高于60%并且所摻雜的材料及其
數(shù)量不會(huì)對(duì)鎳的上述性能產(chǎn)生顯著的負(fù)面影響即可。
由于本發(fā)明的背電極使用了全金屬結(jié)構(gòu)，而金屬薄膜的濺射過(guò)程只需要 氬氣，因此可以在單個(gè)賊射室中安裝并同時(shí)激活銀靶、鎳靶和鋁靶，而不需 要使用彼此隔離的多個(gè)濺射室來(lái)進(jìn)行鍍膜(盡管也可以使用彼此隔離的多個(gè) 濺射室)。因此，可以使用普通的鍍膜設(shè)備和簡(jiǎn)單的程序來(lái)高速地沉積本發(fā)明 的背電極的銀膜、鎳膜和鋁膜。例如，如上所述，可以在同一臺(tái)連續(xù)式在線 磁控賊射設(shè)備中，使用分別由銀、鎳和鋁制成的革巴子， 一次性連續(xù)地沉積
Ag/Ni/Al三層薄膜，或者可以在同一臺(tái)其它類型的薄膜沉積設(shè)備中，使用銀、 鎳和鋁材料來(lái)一次性連續(xù)沉積Ag/Ni/Al三層薄膜。這種金屬薄膜沉積設(shè)備非 常成熟可靠，工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，而且，由于可以在同一賊射設(shè)備或薄膜沉積設(shè) 備中 一 次性大面積地高速形成所有膜層，因此根據(jù)本發(fā)明的背電極和光伏器 件產(chǎn)量高、成品率高、性價(jià)比高，具有良好的產(chǎn)業(yè)化前景。
總之，根據(jù)本發(fā)明的由銀/鎳/鋁(Ag/Ni/Al)制成的全金屬背電極具有很多 優(yōu)點(diǎn)，包括對(duì)紅光及紅外光的高反射率、優(yōu)良導(dǎo)電性、不易導(dǎo)致分流短路、 光照及溫度穩(wěn)定性強(qiáng)、沉積方法及工藝簡(jiǎn)單成熟并且便于大面積低成本的高 產(chǎn)量工業(yè)化制造等。
盡管在上面參照特定實(shí)施例描述了本發(fā)明，但是應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，可以在不 背離由所附權(quán)利要求限定的本發(fā)明的精神和范圍的情況下，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行各 種形式和細(xì)節(jié)上的修改。
權(quán)利要求
1.一種薄膜硅光伏器件，其具有層狀結(jié)構(gòu)，該層狀結(jié)構(gòu)依次包括基板；透明導(dǎo)電的前電極；一個(gè)或多個(gè)p-i-n型光伏單元，每個(gè)p-i-n型光伏單元由基于氫化硅的p型、本征i型和n型半導(dǎo)體薄膜組成；背電極，其特征在于，所述背電極包含依次重疊的銀膜、鎳膜和鋁膜，所述銀膜位于所述背電極的、與所述p-i-n型光伏單元相鄰的一側(cè)，并且所述鎳膜由鎳或鎳含量高于60％的鎳合金制成。
2. 如權(quán)利要求1所述的薄膜硅光伏器件，其中，所述銀膜與所述一個(gè)或 多個(gè)p-i-n型光伏單元中與所述背電極相鄰的一個(gè)p-i-n型光伏單元的n型半 導(dǎo)體薄膜直接接觸。
3. 如權(quán)利要求l-2之一所述的薄膜硅光伏器件，其中，所述銀膜具有介 于10-30納米之間的厚度，所述鎳膜具有介于10-80納米之間的厚度，所述鋁 膜具有介于60-250納米之間的厚度。
4. 如權(quán)利要求l-2之一所述的薄膜硅光伏器件，其中，所述銀膜具有介 于20-25納米之間的厚度，所述鎳膜具有介于20-30納米之間的厚度，所述鋁 膜具有介于100-150納米之間的厚度。
5. 如權(quán)利要求l-4之一所述的薄膜硅光伏器件，其中，所述背電極還包 含位于鎳膜與鋁膜之間的一個(gè)或多個(gè)厚度不超過(guò)100納米的其它金屬薄膜， 所述其它金屬包括金、粕、銅、釩、鉻、鈦或者它們中的一種或多種的合金。
6. —種光伏組件，包括多個(gè)被串聯(lián)或并聯(lián)連接的如權(quán)利要求l-6之一所 述的薄膜硅光伏器件。
7. —種制造薄膜硅光伏器件的方法，包括以下步驟 將透明導(dǎo)電的前電極鍍?cè)诨迳希辉谇半姌O上沉積一個(gè)或多個(gè)p-i-n型光伏單元，每個(gè)p-i-n型光伏單元由基 于氫化硅的p型、本征i型和n型半導(dǎo)體薄膜組成；在最后沉積的一個(gè)p-i-n型光伏單元的n型半導(dǎo)體薄膜上沉積背電極，其中，所述背電極包含依次重疊的銀膜、鎳膜和鋁膜，所述銀膜位于所述背電極的、與所述最后沉積的一個(gè)p-i-n型光伏單元相鄰的一側(cè)，并且所述鎳膜由 鎳或鎳含量高于60%的鎳合金制成。
8. 如權(quán)利要求7所述的方法，其中，所述銀膜被直接沉積在所述最后沉 積的一個(gè)p-i-n型光伏單元的n型半導(dǎo)體薄膜上。
9. 如權(quán)利要求7-8之一所述的方法，其中，所述銀膜具有介于10-30納 米之間的厚度，所述鎳膜具有介于10-80納米之間的厚度，所述鋁膜具有介 于60-250納米之間的厚度。
10. 如權(quán)利要求7-8之一所述的方法，其中，所述銀膜具有介于20-25 納米之間的厚度，所述鎳膜具有介于20-30納米之間的厚度，所述鋁膜具有 介于100-150納米之間的厚度。
11. 如權(quán)利要求7-10之一所述的方法，其中，在同一臺(tái)連續(xù)式磁控賊射 設(shè)備中，通過(guò)使用相應(yīng)的靶子依序沉積所述銀膜、鎳膜和鋁膜。
12. 如權(quán)利要求7-ll之一所述的方法，其中，所述背電極還包含位于鎳 膜與鋁膜之間的一個(gè)或多個(gè)厚度不超過(guò)100納米的其它金屬薄膜，所述其它 金屬包括金、鉑、銅、釩、鉻、鈦或者它們中的一種或多種的合金。
13. —種用于薄膜硅光伏器件的背電極，該背電極具有層狀結(jié)構(gòu)，該層 狀結(jié)構(gòu)包括依次重疊的銀膜、鎳膜和鋁膜，所述鎳膜由鎳或鎳含量高于60% 的鎳合金制成。
14. 如權(quán)利要求13所述的背電極，其中，所述銀膜具有介于10-30納米 之間的厚度，所述鎳膜具有介于10-80納米之間的厚度，所述鋁膜具有介于 60-250納米之間的厚度。
15. 如權(quán)利要求13所述的背電極，其中，所述銀膜具有介于20-25納米 之間的厚度，所述鎳膜具有介于20-30納米之間的厚度，所述鋁膜具有介于 100-150納米之間的厚度。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種薄膜硅光伏器件及其制造方法和背電極以及光伏組件。所述薄膜硅光伏器件具有層狀結(jié)構(gòu)，該層狀結(jié)構(gòu)依次包括基板；透明導(dǎo)電的前電極；一個(gè)或多個(gè)p-i-n型光伏單元，每個(gè)p-i-n型光伏單元由基于氫化硅的p型、本征i型和n型半導(dǎo)體薄膜組成；背電極，該背電極包含依次重疊的銀膜、鎳膜和鋁膜，所述銀膜位于所述背電極的、與所述p-i-n型光伏單元相鄰的一側(cè)，并且所述鎳膜由鎳或鎳含量高于60％的鎳合金制成。根據(jù)本發(fā)明的由銀、鎳、鋁制成的全金屬型背電極具有反射率高、導(dǎo)電性好、不易短路、穩(wěn)定性強(qiáng)、且便于以低成本生產(chǎn)大面積光伏模板等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)H01L31/075GK101556977SQ20081009163
公開(kāi)日2009年10月14日 申請(qǐng)日期2008年4月11日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月11日
發(fā)明者李沅民, 楊與勝 申請(qǐng)人:福建鈞石能源有限公司